Kontrola i regulacja głównych parametrów technologicznych: natężenia przepływu, poziomu, ciśnienia i temperatury

Zbiór pojedynczych operacji tworzy określone procesy technologiczne. W ogólnym przypadku proces technologiczny realizowany jest za pomocą operacji technologicznych, które są wykonywane równolegle, sekwencyjnie lub w kombinacji, gdy początek następnej operacji jest przesunięty względem początku poprzedniej.

Zarządzanie procesami jest problemem organizacyjno-technicznym i obecnie rozwiązuje się go poprzez tworzenie automatycznych lub zautomatyzowanych systemów zarządzania procesami.

Celem sterowania procesem technologicznym może być: stabilizacja pewnej wielkości fizycznej, jej zmiana według zadanego programu lub w bardziej złożonych przypadkach optymalizacja jakiegoś kryterium sumującego, jak najwyższa produktywność procesu, najniższy koszt wyrobu itp.

Typowe parametry procesu podlegające kontroli i regulacji to natężenie przepływu, poziom, ciśnienie, temperatura oraz szereg parametrów jakościowych.

Układy zamknięte wykorzystują aktualne informacje o wartościach wyjściowych, określają odchylenie ε(T) wartości kontrolowanej Y(t) od jej wartości zadanej Yo) i podejmują działania w celu zmniejszenia lub całkowitego wyeliminowania ε(T).

Najprostszym przykładem układu zamkniętego, zwanego układem kontroli odchyleń, jest układ stabilizacji poziomu wody w zbiorniku, pokazany na rysunku 1. Układ składa się z dwustopniowego przetwornika pomiarowego (czujnika), urządzenia 1 sterującego ( regulator) oraz mechanizm wykonawczy 3, który steruje położeniem korpusu regulacyjnego (zaworu) 5.

Ryż. 1. Schemat funkcjonalny układu automatyki: 1 — regulator, 2 — przetwornik poziomu, 3 — mechanizm napędowy, 5 — korpus regulacyjny.

Kontrola przepływu

Układy sterowania przepływem charakteryzują się małą bezwładnością i częstymi pulsacjami parametrów.

Zazwyczaj sterowanie przepływem ogranicza przepływ substancji za pomocą zaworu lub zasuwy, zmieniając ciśnienie w rurociągu poprzez zmianę prędkości napędu pompy lub stopnia obejścia (kierując część przepływu przez dodatkowe kanały).

Zasady stosowania regulatorów przepływu dla mediów płynnych i gazowych pokazano na rysunku 2, a, dla materiałów sypkich — na rysunku 2, b.

Ryż. 2. Schematy sterowania przepływem: a — media płynne i gazowe, b — materiały sypkie, c — proporcje mediów.

W praktyce automatyzacji procesów technologicznych zdarzają się przypadki, gdy konieczne jest ustabilizowanie stosunku przepływu dwóch lub więcej mediów.

Na schemacie pokazanym na rysunku 2, c przepływ do G1 jest nadrzędny, a przepływ G2 = γG — podrzędny, gdzie γ — stosunek natężenia przepływu, który jest ustalany w procesie statycznej regulacji regulatora.

Gdy zmienia się główny przepływ G1, sterownik FF proporcjonalnie zmienia przepływ podrzędny G2.

Wybór prawa sterowania zależy od wymaganej jakości stabilizacji parametrów.

Kontrola poziomu

Systemy kontroli poziomu mają takie same właściwości jak systemy kontroli przepływu. W ogólnym przypadku zachowanie się poziomu opisuje równanie różniczkowe

D (dl / dt) = Gin — Dna + Garr,

gdzie S to powierzchnia poziomej części zbiornika, L to poziom, Gin, Gout to natężenie przepływu medium na wlocie i wylocie, Garr — ilość medium zwiększająca lub zmniejszająca pojemność (może być równa 0) na jednostkę czasu T.

Stałość poziomu wskazuje na równość ilości dostarczanej i zużywanej cieczy. Warunek ten można zapewnić, wpływając na dopływ (ryc. 3, a) lub natężenie przepływu (ryc. 3, b) cieczy. W wersji regulatora pokazanej na rysunku 3, c wyniki pomiarów dopływu i natężenia przepływu cieczy służą do stabilizacji parametru.

Impuls poziomu cieczy jest korygujący, wykluczający akumulację błędów z powodu nieuniknionych błędów, które występują, gdy zmienia się zasilanie i natężenie przepływu. Wybór prawa regulacji zależy również od wymaganej jakości stabilizacji parametrów. W tym przypadku możliwe jest zastosowanie nie tylko regulatorów proporcjonalnych, ale również pozycyjnych.

Ryż. 3. Schematy układów regulacji poziomu: a — z wpływem na zasilanie, b i c — z wpływem na natężenie przepływu medium.

Regulacja ciśnienia

Stałość ciśnienia, podobnie jak stałość poziomu, wskazuje na równowagę materiałową obiektu. W ogólnym przypadku zmianę ciśnienia opisuje równanie:

V (dp / dt) = Gin — Dna + Garr,

gdzie VE to objętość aparatu, p to ciśnienie.

Metody kontroli ciśnienia są podobne do metod kontroli poziomu.

Kontrola temperatury

Temperatura jest wskaźnikiem stanu termodynamicznego układu. Charakterystyki dynamiczne układu regulacji temperatury zależą od parametrów fizykochemicznych procesu oraz konstrukcji aparatury. Osobliwością takiego układu jest znaczna bezwładność obiektu i często przetwornika pomiarowego.

Zasady wykonania termoregulatorów są zbliżone do zasad wykonania regulatorów poziomu (rys. 2) z uwzględnieniem kontroli zużycia energii w obiekcie. Wybór prawa regulacyjnego zależy od pędu obiektu: im jest on większy, tym bardziej złożone jest prawo regulacyjne. Stałą czasową przetwornika pomiarowego można zmniejszyć zwiększając prędkość ruchu chłodziwa, zmniejszając grubość ścianek osłony (tulei) ochronnej itp.

Regulacja składu i parametrów jakościowych produktów

Przy dopasowywaniu składu lub jakości danego produktu może dojść do sytuacji, w której jakiś parametr (np. wilgotność ziarna) jest mierzony dyskretnie. W takiej sytuacji utrata informacji i zmniejszenie dokładności procesu regulacji dynamicznej są nieuniknione.

Zalecany schemat regulatora stabilizującego pewien parametr pośredni Y(t), którego wartość zależy od głównego kontrolowanego parametru — wskaźnika jakości produktu Y(ti) pokazano na rysunku 4.

Ryż. 4. Schemat systemu kontroli jakości wyrobów: 1 — obiekt, 2 — analizator jakości, 3 — filtr ekstrapolacyjny, 4 — urządzenie obliczeniowe, 5 — regulator.

Urządzenie obliczeniowe 4, wykorzystując model matematyczny zależności między parametrami Y(t) i Y(ti), w sposób ciągły ocenia ocenę jakości. Filtr ekstrapolacji 3 daje oszacowany parametr jakości produktu Y(ti) pomiędzy dwoma pomiarami.